复合EGR对增压柴油机燃烧及排放特性的影响

王云超　闫迎博　桂小林　王建中　王兴华　于　超

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

复合EGR对增压柴油机燃烧及排放特性的影响

王云超1,2闫迎博1,2桂小林1,2王建中1,2王兴华1,2于超1,2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

在一台增压高压共轨柴油机上，进行HP-EGR和复合EGR对柴油机燃烧和排放影响的试验研究。研究结果表明：复合EGR可以明显改善EGR对进气温度和过量空气系数的影响，有利于柴油机上高EGR率的应用；低转速时，复合EGR和HP-EGR都实现了NOx和碳烟排放的同时降低，但解决NOx和碳烟之间trade-off关系（新折中关系），复合EGR比HP-EGR更加有效；复合EGR可以明显拓展高EGR率使用，且保持相对低的HC和CO排放；低负荷时，HP-EGR对NOx和油耗率之间trade-off关系改善明显，而中高负荷时，复合EGR的效果更加明显。

复合EGR柴油机燃烧排放

引言

柴油机以其高热效率、强劲动力等优势，在工程机械及汽车行业得到广泛应用。但日益严格的排放法规对降低柴油机NOx和碳烟（Soot）排放提出了更高的要求［1］。

若采用后处理器解决NOx排放问题，不仅会带来成本高、结构复杂、可靠性低等多方面的问题，而且仅采用DeNOx后处理器降低NOx排放的效果有限。

为满足日益严格的排放法规，柴油机在采用后处理器的同时必须配合机内燃烧净化措施。而废气再循环（EGR）是机内净化NOx排放的有效手段之一［2-3］。传统柴油机采用高压EGR（HP-EGR）通常会造成过量空气系数减小，导致碳烟、HC及CO排放升高，燃油经济性变差。而采用（高-低压）复合EGR能实现更高的进气压力，增加进气流量，并减小EGR带来的不利影响。

本文在一台增压柴油机试验台架上，针对HPEGR和复合EGR系统对增压柴油机燃烧、排放特性的影响进行了试验研究。该研究将为增压柴油机采用复合EGR技术降低排放提供一定的理论支持及工程指导。

1　试验装置与研究方法

试验发动机为增压中冷、电控高压共轨柴油机。其主要技术参数见表1，试验台架如图1所示，试验仪器设备见表2。

表1　发动机主要技术参数

图1　台架布置图

试验中建立了一套电控高-低压EGR系统。其中HP-EGR系统包括HP-EGR冷却器、HP-EGR阀及背压阀。其废气从涡轮前引入进气管路。HP-EGR率通过调节HP-EGR阀的开度来控制，若HP-EGR阀全开仍不能满足所需最大EGR率要求，则在HPEGR阀全开时调节背压阀增大HP-EGR吸入能力。LP-EGR系统包括LP-EGR冷却器、LP-EGR阀及背压阀。其废气从涡轮后引入进气管路。LP-EGR率通过调节LP-EGR阀的开度来控制，若LP-EGR阀全开依然不能满足EGR率的需求，则在LP-EGR阀全开时调节背压阀增大LP-EGR引入能力。

本文中设定EGR率达到最大值的边界条件为柴油机能维持稳定运行，以指示平均有效压力的循环变动系数不大于5%来衡量。

EGR率是通过Horiba MEXA-7100D EGR排放分析仪测量进气与排气中CO2体积分数计算得到，计算公式为：

碳烟（Soot）排放是通过AVL公司的415S烟度计测量烟度计算得到，碳烟和烟度的换算公式为：

式中：FSN为实测烟度值；mair为进气流量，单位为kg/h，mfuel为柴油机的小时油耗量，单位为kg/h；Pe为有效功率；e≈2.7183。

本文主要以NEDC（New European Driving Cycle）循环测试的部分工况为研究对象，A、B、C分别代表转速为1 800 r/min、2 000 r/min和2 400 r/min的工况点，工况点参数如表3所示。

表3　工况点参数

2　试验结果及分析

2.1不同EGR方式对燃烧特性的影响

图2为不同工况下进气温度随EGR率的变化。由图2可知，HP-EGR的进气温度明显高于复合EGR。这是因为低EGR率时，复合EGR中的低压EGR废气经涡轮做功后，废气温度显著降低，进气温度变化较小。

图2不同EGR方式对进气温度的影响

图3和图4分别为各工况点进气压力和涡前压力随EGR率的变化。

图3　不同EGR方式对进气压力的影响

图4　不同EGR方式对涡前压力的影响

由图3和图4可知，采用HP-EGR时，由于涡前较多废气未经增压器涡轮做功直接进入缸内，导致涡前及进气压力降低。在低转速时，由于涡前废气能力小，采用HP-EGR使供给涡轮膨胀做功的可用废气进一步减少，当EGR率增大时，使进气压力大幅降低。但此时为提高EGR率，减小了背压阀开度，使涡前压力先降低后升高。在中高转速时，虽然EGR分流使涡前压力降低，但废气能力比较充足，进气压力的降低幅度减小。

由图3和图4还可得知，复合EGR的涡前及进气压力明显高于HP-EGR，这是因为LP-EGR的废气都先经涡轮做功，然后进入气缸，对增压器的影响很小，使复合EGR的涡前及进气压力降低的趋势变缓。

图5为各工况点过量空气系数随EGR率的变化。由图5可知，复合EGR的过量空气系数明显高于HP-EGR，随着EGR率的增加，两者的差距逐渐增大；而随着转速的升高，两者的差距逐渐减小。这是因为低转速时，复合EGR和HP-EGR的进气压力差距较大，而随着转速的升高，两者差距减小。

图5　不同EGR方式对过量空气系数的影响

图6为各工况点缸压及放热率随EGR率的变化。由图6可知，复合EGR的缸内压力较高。这是因为HP-EGR的过量空气系数、进气压力下降幅度更大，降低了压缩压力和温度，使得滞燃期延长，燃烧相位推迟，燃烧速度和瞬时放热率峰值升高。随着负荷的升高，压缩压力和温度升高，滞燃期缩短，且过量空气系数、进气压力的差异减小，使两种EGR方式的缸压和放热率的差异减小。

图7为各工况点油耗率随EGR率的变化。由图7可知，EGR率较小时，HP-EGR的油耗率略低于复合EGR，随着EGR率的增加，HP-EGR的油耗率快速升高，明显高于复合EGR。这是因为HP-EGR的影响主要来自泵气损失和燃烧相位两个方面。EGR率较小时，泵气损失降低起主要作用，使油耗率下降；当EGR率较大时，泵气损失降低的作用减小，燃烧相位推迟和反应速度减慢，且过量空气系数降低到一定数值，对燃烧反应的影响更加明显，油耗率上升趋势更明显。而LP-EGR对过量系数的影响较小，推迟了复合EGR的油耗率升高的趋势。

图6　不同EGR方式对缸压及放热率的影响

图9　不同EGR方式对碳烟排放的影响

2.2不同EGR方式对排放特性的影响

图8为各工况点NOx排放随EGR率的变化。由图8可知，随着EGR率的增加，复合EGR和HPEGR的NOx排放都大幅降低，但HP-EGR的效果更加明显。这是因为HP-EGR对过量空气系数、进气压力的影响更大，使缸内压缩压力和温度降低，同时氧浓度降低，使NOx排放降低更明显。

图9为各工况点碳烟（Soot）排放随EGR率的变化。由图9可知，在低转速时，HP-EGR的碳烟排放随着EGR率的增加呈现先升高后降低的趋势，这是典型的柴油机低温燃烧特性。而复合EGR的碳烟排放呈逐渐降低的趋势。这是因为复合EGR进气加热作用较弱，过量空气系数较高，缸内氧气充足，避开了碳烟生成区域，使碳烟排放降低。而高转速低EGR率时，复合EGR和HP-EGR对碳烟排放的影响趋势相同，但复合EGR可以明显推迟碳烟排放升高的趋势。

图10为各工况点HC排放随EGR率的变化。由图10可知，低EGR率时，随着EGR率的增加，HPEGR的HC排放逐渐降低，而复合EGR的HC排放变化不明显。这是因为HP-EGR对进气加热作用明显，促进了燃油的蒸发、雾化及燃烧，使HC排放降低。随着EGR的继续增加，过量空气系数减小，缸内氧浓度降低，使HC无法被氧化，HP-EGR和复合EGR的HC排放都升高。

图11为各工况点CO排放随EGR率的变化。由图11可知，复合EGR和HP-EGR对CO排放的影响趋势相同。但相对于HP-EGR，复合EGR可以明显推迟CO排放升高的趋势。

图10　不同EGR方式对HC排放的影响

图11　不同EGR方式对CO排放的影响

3　结论

1）复合EGR可以明显改善EGR对进气温度和过量空气系数的影响，有利于柴油机上高EGR率的应用。

2）低转速时，复合EGR和HP-EGR都实现了NOx和碳烟排放的同时降低。但解决NOx和碳烟之间trade-off关系（新折中关系），复合EGR比高压EGR更加有效。

3）复合EGR可以明显拓展高EGR率使用，且保持相对低的HC和CO排放。

1陈贵升，郑尊清，尧命发，等.不同增压方式下EGR对高压共轨柴油机燃烧和排放的影响［J］.燃烧科学与技术，2011，17（6）：512-520

2Alriksson M，Denbratt I G.Low temperature combustion in a heavy duty diesel engine using high levels of EGR［C］.SAE Paper 2006-01-0026

3郑尊清，张文强，尧命发，等.高/低压EGR对两级增压柴油机性能和排放影响的试验研究［J］.内燃机工程，2014，35（1）：1-7

4）低负荷时，HP-EGR对NOx和油耗率之间trade-off关系改善明显；而中高负荷时，复合EGR的效果更加明显。

Experimental Study of Influence of Hybrid EGR on the Turbocharged Diesel Engine Combustion

Wang Yunchao1，2，Yan Yingbo1，2，Gui Xiaolin1，2，Wang Jianzhong1，2，Wang Xinghua1，2，Yu Chao1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Experimental study on combustion and emissions was carried out on an electron-controlled common-rail diesel engine with turbocharger and both HP-EGR and Hybrid EGR.The study results show：Hybrid EGR could obviously improve the influence of EGR on intake temperature and excess air coefficient，and was advantageous to apply high EGR rate on product diesel；Both Hybrid EGR and HPEGR could reduce the emissions of NOxand Soot at the same time，but to solve the trade-off relation of NOxand Soot，Hybrid EGR was more effective than HP-EGR；Hybrid EGR could obviously expand the using of high EGR rate，and keep opposite low emissions of the HC and CO；The HP-EGR was obviously effective to improve the trade-off relation of NOxand BSFC under low load，but under medium and high load，Hybrid EGR was more effective.

Hybrid EGR，Diesel，Combustion，Emission

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0020-05

王云超（1990—），男，工程师，主要研究方向为EGR系统的设计及应用.

2016-04-06）